基于潛在破裂面源模型的南北地震帶南段地震區劃研究1

胥廣銀 高孟潭

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基于潛在破裂面源模型的南北地震帶南段地震區劃研究1

胥廣銀 高孟潭

（中國地震局地球物理研究所，北京 100081）

南北地震帶南段大震活動頻繁。已有的研究結果表明，大震近場范圍場點的地震危險性與地震破裂面產狀及其尺度密切相關。因此，在南北地震帶南段需要考慮潛在震源三維特征進行地震危險性分析和地震區劃研究。本文在充分搜集大震發震構造資料的基礎上，在南北地震帶南段構建了考慮震源尺度和產狀的潛在震源模型，改進了地震危險性概率分析方法，進而對該地區進行地震區劃研究。結果表明，考慮潛在震源三維特征的地震危險性分析結果可以有效地反映南北地震帶南段發震構造的產狀和尺寸特征，提高地震區劃結果的合理性。

南北地震帶南段 潛在地震破裂面源模型 地震危險性分析 地震區劃

引言

目前，在地震危險性概率分析中一般將地震震源簡化成點源模型或者斷層線源模型，采用震中距、震源距或者斷層投影距作為距離參數描述地震動的衰減特征（Cornell，1968；Douglas等，1977；Reiter，1991；中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2006）。對于較大震級地震的近場范圍內的場點，由于地震破裂面可以擴展到幾十甚至幾百千米，在這種情況下再將地震破裂源簡化為點源或斷層線源顯然是不合適的。

許多專家學者認為近場場點或觀測點的速度和加速度值是由最靠近場點或觀測點的一小段地震破裂貢獻的（Aki，1968；陳培善等，1998）。Schnabel等（1973）在“Accelerations in Rock for Earthquakes in the Western United States”一文中說：“……地震波傳播距離最小時衰減也就最小，產生的加速度幅值也就最大。……到斷層破裂的最近距離是決定基巖阻尼衰減的主要因素。”Der Kiureghian等（1977）在“A Fault-rupture Model for Seismic Risk Analysis”一文中也假設場點的地面運動峰值是由距離場點最近的地震滑動決定的。同時，這一觀點也得到了許多從事地震動衰減關系研究的專家學者的認同（Campbell，1987，1990，1993，1997；Boore等，1997；Joyner等，1993；Campbell等，1994；Sadigh等，1997）。胡聿賢（1999）也認為，對于近場范圍內的場點，一般情況下，應該只有靠近場點的一小段斷裂才對場點的高頻地震動峰值有影響。

基于以上認識，胥廣銀等（2007）構建了能夠反映地震破裂三維空間展布的潛在震源模型（圖1中的空間四邊形ABCD所示），圖1中FP是斷層投影距，即場點到斷層在地表投影的最短距離；F是斷層距，即場點到斷層的最短距離；rup是斷層面距，即場點到斷層破裂面的最短距離。由于場點的地震動峰值與距離場點的最近破裂有關，采用這種潛在震源模型進行地震危險性分析，衰減關系中的距離項應該是斷層面距rup。

圖1 考慮三維空間特征的潛在地震破裂面源模型示意圖

南北地震帶南段是我國強震活動頻繁的地區，從東川到綠春，在4萬多平方千米的區域內歷史上記錄到的破壞性地震共有122次，其中6級以上地震29次，7級以上地震8次，還有1次8級地震。該區域很多場點都位于大震—強震的近場范圍之內。在這種情況下，場點的地震危險性分析和地震區劃研究顯然需要考慮潛在震源的三維空間特征。南北地震帶南段及其附近區域無論是歷史記載的地震資料還是現代儀器記錄的地震資料都很豐富，同時，地震地質和發震構造研究程度也比較高，為基于潛在地震破裂面源模型并考慮潛在震源的三維空間特征的地震危險性概率分析方法創造了必要條件。

1　方法

基于潛在地震破裂面源模型的地震危險性概率分析的基本思路和計算方法概述如下：

（1）首先確定地震統計區（地震帶），以此作為考慮地震活動時間非均勻性、確定未來給定年限的地震活動水平和地震危險性空間相對分布概率的基本單元。地震統計區內部地震活動在空間和時間上都是不均勻的。

假設地震統計區內地震時間過程符合分段的泊松過程，令地震帶的震級上限為uz，震級下限為0，年內震級為0—uz的地震年平均發生率為0，0由未來的地震活動趨勢來確定，則統計區內年內發生次震級為0—uz的地震的概率為：

同時，地震統計區內地震活動性遵從修正的震級-頻度關系，相應的震級概率密度函數為：

其中，＝ln10，為震級-頻度關系的斜率。

假設潛在地震破裂面源內地震震級可分為m檔，m表示震級范圍為（m±?D）的震級檔，則地震統計區內發生m檔地震的概率為：

（3）假設第個潛在地震破裂面源的長為，寬為，其內發生一次震級為m的地震，引起場點的地震動達到或超過給定地震動的概率(≥|)可按以下方法計算：

①為便于研究，假設該震級地震的震源破裂面是一個長為L，寬為W的矩形面。根據震級-破裂長度關系式以及破裂長度與破裂寬度的關系式，可以求得破裂面的長度L和寬度W。

②根據潛在地震破裂面源的走向以及場點的坐標，將地球表面上的經緯度坐標轉換為距離坐標并將坐標原點平移到場點，進一步進行坐標旋轉使得潛在破裂面源的走向平行于新坐標系的軸。

③根據潛在地震破裂面源的傾向和傾角，在三維空間（，，）進行坐標旋轉，使得潛在地震破裂面源平行于＝0平面，并且該平面的坐標的絕對值正好是場點到潛在地震破裂面源的垂直距離，假設潛在地震破裂面源矩形的4個頂點坐標分別為（1，1，1）、（2，1，1）、（2，2，1）、（1，2，1）。

將潛在地震破裂面源分割為n個平行于軸、寬為的細條，作為該震級地震的震源破裂面的中心的分布范圍（圖2（a））。假設地震破裂全部位于潛在地震破裂面源內，則：

潛在地震破裂面源內發生1次震級為m的地震，引起場點的地震動達到或超過給定地震動的概率（≥|）為：

圖2 地震破裂面及其對場點地震危險性貢獻的計算示意圖

④根據分段泊松分布模型和全概率公式，地震統計區內部發生的來自地震破裂面源內的地震，影響到場點地震動參數值超越給定值的年超越概率為：

⑤假定共有N個地震統計區對場點有影響，那么綜合所有地震的影響，則：

2 研究區主要斷裂及其活動性

研究區內主要有以下10條活動斷裂（圖3），下面將分別進行介紹。

2.1　全新世活動斷裂

最新活動時代為全新世的活動斷裂主要有曲江斷裂、石屏-建水斷裂、紅河斷裂、小江斷裂、則木河斷裂、程海斷裂和麗江斷裂。

（1）曲江斷裂

曲江斷裂展布于研究區中部，總體走向N50°W，長約110km。斷裂形成于華力西期，沿斷裂帶構造擠壓強烈，巖層破碎，構造巖帶發育。中—上新世以來，斷裂轉變為右旋走滑運動。斷裂全新世活動仍十分強烈，右旋走滑速率為1.5—3.5mm/a，傾滑速率約為走滑速率的1/5（周瑞琦等，1995），是滇中南一條重要的全新世活動斷裂。

（2）石屏-建水斷裂

石屏-建水斷裂總體走向N40—70°W，全長150km以上，破碎帶寬達200m以上，與紅河斷裂和曲江斷裂平行展布。該斷裂晚更新世以來活動較為強烈，其平均水平滑動速率為3.19mm/a（韓新民等，1982），沿斷裂的地震活動也較為強烈。自公元1445年以來，在斷裂及附近記載有17次破壞性地震，最強為1799年8月27日石屏寶秀7級地震。

（3）紅河斷裂帶

紅河斷裂帶是川滇菱形塊體的南邊界斷裂，大致沿紅河展布，向東南延出境外，境內長380km，總體走向北西。根據幾何結構和活動特性，紅河斷裂可分為北段（洱源—彌渡）、中段（苴力—大斗門）和南段（春元—河口）。北段為全新世中—晚期活動斷裂，具右旋正走滑性質，晚更新世以來平均右旋走滑速率為2.6—5.0mm/a，平均垂直位移速率為5.2—7.4mm/a。中段以水平走滑運動為主，最新活動時間為全新世早—中期，晚更新世以來平均水平滑動速率為3.1mm/a（虢順民，2001）。

南段由兩條近乎平行的哀牢山山前斷裂和中谷斷裂組成。前者西段第四紀早期為傾向南西的高角度逆沖斷層，后期為北東傾斜的高角度正斷兼右旋走滑性質，最新活動時代為晚更新世早—中期；東段總體傾向南西，傾角較陡，為逆沖右旋性質。后者由多條次級斷層組成，最新活動發生在全新世早—中期，為右旋走滑兼逆沖性質。

（4）小江斷裂帶

小江斷裂帶是巨大的鮮水河-安寧河-小江斷裂構造帶的南段，總體走向近南北，形成于晉寧期。喜馬拉雅運動以來，該斷裂帶新構造活動十分強烈，由數條次級走滑斷裂斜列組成。第四紀以來，斷裂以強烈左旋走滑為特征，最大左旋位移可達5—7km。晚更新世以來，左旋走滑運動所產生的斷錯地貌十分醒目，平均滑動速率達6—9.8mm/a（中段東支）和5.9—9.4mm/a（中段西支）（宋方敏，1998）。

按斷裂帶的結構特征、新活動性及地震活動差異，可將小江斷裂帶分成3段：北段呈單一結構，由單條斷裂組成；中段（東川—宜良）分為東、西兩支，近平行展布，平均間距約16km；南段呈多條帚狀斜列。歷史上記載了沿斷裂帶發生的多次6級以上地震和3次7級以上地震，最大地震為1833年嵩明8級地震。

（5）則木河斷裂

該斷裂長約140km，由5條次級斷層羽列組成，為全新世左旋走滑活動斷裂。斷裂北西段長約90km，晚第四紀以來的平均水平滑動速率為4.7mm/a左右，歷史上發生過814年西昌7級地震和1850年西昌大箐梁子7?級地震，地震地表破裂帶展布于西寧—松新之間，長約90m，最大同震位錯在大箐梁子一帶，可達5.7m（杜平山等，2000）。斷裂南東段長約40km，其活動性遠遜于北西段，晚更新世以來的平均水平滑動速率為2—3mm/a。

（6）程海斷裂

程海斷裂是滇西北地區東線最為醒目的一條活動性大斷裂，走向近南北，傾向西，全長200km（黃小龍等，2016）。斷裂從東到西大約由幾條相互平行的近南北向斷裂組成，由北向南撤開，主斷裂控制著金宮、永勝、程海、期納、賓川等盆地。斷裂北段以傾滑為主，速率達6mm/a；中段以左旋走滑為主，速率達3—4mm/a；南段以拉張為主，走滑為次，走滑速率為2—3mm/a（羅睿潔等，2015）。該斷裂帶歷史上發生過多次強震，包括1515年永勝7?級地震和2001年永勝6.0級地震。

（7）麗江斷裂

麗江斷裂是滇西北高原的一條北東向活動構造帶，總體走向N40°E，全長360km。該斷裂斜切川滇菱形塊體，是龍門山-錦屏山-玉龍雪山中新生代推覆構造帶的西南一段（向宏發等，2002）。該斷裂是一條高角度傾向NW且在第四紀以來強烈活動的逆走滑活動斷裂，斷裂以水平運動為主，兼有傾向運動分量。第四紀以來的最大左旋水平位錯量為7.14—7.16km，其平均位錯速率約2.88—2.89mm/a；對斷裂兩盤地貌面隆升及相應堆積物的分析表明，中更新世以來斷裂的平均垂直位錯速率不小于1.10—1.15mm/a，晚更新世以來的平均位錯速率為2.16—4.10mm/a，全新世以來的平均位錯速率為2.10—5.10mm/a。

2.2　晚更新世活動斷裂

最新活動時代為晚更新世的活動斷裂主要有普渡河斷裂、湯郎-易門斷裂和元謀斷裂。

（1）普渡河斷裂

普渡河斷裂為川滇菱形塊體內部的一條南北向斷裂。自古生代以來，控制著兩側地質構造的發展演化，為二級構造單元（川滇臺背斜與滇東臺褶帶）的分界斷裂，總體走向近南北，全長約220km。歷史上沿斷裂帶較頻繁地發生5—6級地震，最大震級為1761年6?級，近期小震密集分布。

（2）湯郎-易門斷裂

湯郎-易門斷裂總體走向近南北，全長約200km。該斷裂形成于晉寧運動，印支期斷裂顯示右旋拉張，燕山期以后變為左旋壓扭。新生代以來的新構造運動繼承燕山運動的活動方式。沿斷裂發生過1995年武定法窩6.5級地震和1755年易門6?級地震。

（3）元謀-綠汁江斷裂

元謀-綠汁江斷裂為磨盤山-綠汁江深斷裂中南段。磨盤山-綠汁江斷裂總體為南北走向，縱貫“康滇地軸”，全長約400km。元謀-綠汁江斷裂是滇中臺陷與武定-石屏隆褶束三級構造單元的邊界，形成于晉寧期，多期構造變動，對兩側中生界有明顯的控制。沿斷裂本世紀曾有過5次中強地震記錄，最大為1955年永仁魚鮓6?級地震。

3 研究區潛在地震破裂面源的確定

與活動斷裂相對應，研究區內確定了15個潛在地震破裂面源（圖4和表1）。主要潛在地震破裂面源的劃分依據如下：

（1）曲江斷裂潛在地震破裂面源（1號源）

曲江斷裂全新世活動強烈，斷裂帶附近曾發生5級以上地震17次，7級以上大震3次，包括1588年曲溪7級地震、1913年峨山7級地震和1970年通海7.8級大震。1970年通海7.8級大震形成了長約60km的地震地表破裂帶，最大水平錯距達2.7m，據此劃分為震級上限為8.0級的潛在地震破裂面源，走向NW300°，近直立。

（2）石屏-建水斷裂潛在地震破裂面源（2號源）

石屏-建水斷裂晚更新世以來活動較為強烈，第四紀期間的平均水平滑動速率為3.19mm/a，沿斷裂地震活動強烈，在斷裂及附近記載有17次破壞性地震，最強為1799年石屏寶秀7級地震。據此劃分為震級上限為7.5級的潛在地震破裂面源，走向NW300°，傾向北東，傾角70°。

（3）小江斷裂潛在地震破裂面源（5—7號源）

小江斷裂全長約400km，以強烈左旋走滑為特征，最大位移量可達5—7km。沿斷裂帶歷史記載多次6級以上地震和3次7級以上地震，最大地震為1833年嵩明8級地震。小江斷裂以東川為界可分為南北兩段，南段分東西兩支，沿斷裂劃分為3個震級上限為8.0級的潛在地震破裂面源，走向NE10°，傾向南東，傾角70°。

（4）紅河斷裂潛在地震破裂面源（3—4號）

紅河斷裂是川滇菱形塊體的南邊界斷裂，斷裂北西段為全新世中—晚期活動斷裂，發生過1925年大理7級和1652年彌渡南7級地震，劃分為震級上限為7.5級的潛在地震破裂面源；南東段為全新世早—中期活動斷裂，劃分為震級上限為7.0級的潛在地震破裂面源。走向北西，傾向北東，傾角65°。

圖4 研究區潛在地震破裂面源劃分圖

（5）普渡河斷裂潛在地震破裂面源（11號）

普渡河斷裂為川滇菱形塊體內部的一條重要的南北向斷裂，是二級構造單元的分界斷裂。斷裂最新活動時代為中更新世晚期。在玉溪盆地段歷史上發生過6次5級以上的地震，最大震級為1761年6?級。近期小震密集分布。據此劃分為震級上限為6.5級的潛在地震破裂面源區，總體走向近南北，全長約220km，近直立。

表1 潛在地震破裂面源劃分表

續表

4 地震危險性分析及地震區劃研究

根據前述確定的潛在地震破裂面源和改進的地震危險性分析方法，我們對研究區（102.2—103.5°E，23.0—26.2°N）進行了地震危險性計算。

（1）地震活動性參數

為了便于分析和對比，地震帶劃分及其地震活動性參數采用了新一代地震動參數區劃圖中的地震帶及其地震活動性參數（表2），潛在地震破裂面源的空間分布函數采用了各大斷裂對應的潛在震源區的空間分布函數。

表2 各地震帶地震活動性參數

（2）地震動衰減關系

本研究采用了考慮地震破裂面三維特征的潛在地震破裂面源模型，因此，地震動衰減關系的選取理論上應該是用破裂面距為距離參數的衰減關系。為了與研究區地震危險性分析結果進行比較，在地震危險性概率分析中地震動衰減關系選取了昆明呈貢地震小區劃（二期）中采用的云南地區基巖峰值加速度衰減關系的長短軸平均的衰減系數2。該衰減關系形式如下：

式中為距離項，各項系數列于表3。

表3 基巖加速度峰值衰減關系各項系數表

（3）地震震級、破裂長度和破裂寬度的相互關系

為了確定未來發生某一震級的地震引起的破裂面的大小，還需要兩個重要參數：破裂長度和破裂寬度。對于震級與破裂長度之間的關系式，本研究采用了陳培善等（1991）根據實際地震觀測數據得到的統計關系，發生矩震級為W的地震產生的地震破裂長度的關系式可以表示為：

地震破裂面寬度與地震震級大小的相互關系的研究比較少，根據Wells等（1994）的研究成果有：

地震斷層面的形狀是五花八門的，有狹長的，有接近圓形的，等等。在地震二維破裂模式的基礎上，Geller（1976）利用Kanamori等（1975）所提出的幾何相似條件，即：

（12）

其中為常數，對地震觀測資料中的破裂長度與寬度的關系進行了經驗的估計，平均取：

出于研究目的，本文選用了Geller（1976）估計的長寬比2:1作為地震破裂面模擬的長寬關系。

（4）地震危險性分析及地震區劃結果

根據新一代地震區劃圖所確定的地震帶及其地震活動性參數、前述確定的潛在地震破裂面源區及其空間分布函數、震源尺度參數以及地震動峰值加速度衰減關系，利用概率地震危險性分析方法，進行計算區域內場點的地震危險性分析計算。

不同年超越概率對應的基巖加速度峰值計算結果如圖5和圖6中數字所示。參照中國地震動參數區劃圖（GB18306—2015）峰值加速度區劃圖的取值原則對計算所得的各場點基巖加速度峰值進行分區，分區原則如下：

其中，Amin為第個分區的分區下限，A為第個分區的分區值，A－1為第－1個分區的分區值，例如0.40g區的分區下限為0.40－(0.40－0.30)×0.2＝0.38g。

為了分析所得地震區劃結果的合理性，我們將地震區劃形態和地震構造進行對比（圖5和圖6）。結果表明，與胥廣銀等（2007）的研究結果稍顯不同的是，計算區域內的地震區劃結果的斷層“上盤效應”整體上不明顯，主要原因有兩點：一方面與計算區域及其周邊的地震構造多為高角度的走滑斷裂有關，另一方面是由于區劃形態是多條斷裂共同作用的結果。但是，地震區劃形態較好地反映了主要地震構造的空間展布形態，而且，在計算區域南部，地震構造產狀相對一致的紅河斷裂和石屏-建水斷裂所在地區，則有一定的“上盤效應”現象存在。因此，基于潛在破裂面源模型的南北地震帶南段地震區劃形態較好地反映出區內地震構造的產狀和尺寸。

同時，與基于傳統潛在震源區模型的地震區劃結果（圖5（b），50年超越概率10%）對比，我們發現采用潛在地震破裂面源模型得到的高值分區——0.30g和0.40g區的范圍縮小了，而發震斷層附近的計算值卻提高了，表明本文采用的潛在地震破裂面源模型對于南北地震帶南段發震構造的產狀和尺寸的反映較為顯著，同時還保證發震構造附近的地震危險性不被稀釋。

圖5 基巖峰值加速度區劃與地震構造對比（50年超越概率10%）

5 結論與討論

近年來，我國在大震、強震的潛在震源模型上進行著不斷地改進，中國地震動參數區劃圖（中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局等，2016）在潛在震源區劃分上強調了對高震級潛在震源區的控制，采用了地震帶、地震構造區和潛在震源區三級劃分的方法（周本剛等，2013），高震級潛在震源區的細化也在一定程度上提高了大震近場范圍內場點地震危險性分析結果的合理性。

圖6 基巖峰值加速度區劃與地震構造對比

本文基于潛在破裂面源模型的地震危險性分析方法更是針對“大震近場場點的峰值地震動與距離場點最近的地震破裂有關”的認識而提出來的，從概念上彌補了傳統潛在震源區模型的不足。在地震活動較強、地震構造及地震活動性資料相對豐富的南北地震帶南段，采用這種方法得到的地震區劃結果能夠在較大程度上反映出活動斷裂展布的輪廓及產狀，同時還能避免大震、強震近場范圍內場點的地震危險性結果的稀釋，無疑更為合理。因此，相對于傳統的潛在震源區模型，采用能夠反映震源三維特征的潛在地震破裂面源模型無論從概念上還是結果上都有利于提高地震區劃和地震危險性分析結果的合理性，尤其是發震構造附近場點的地震危險性。

致謝：本研究得到了中國地震局地球物理研究所中央級公益性科研院所基本科研業務專項（DQJB11C19）和中國地震局中印聯合科技項目“喜馬拉雅地區統一地震目錄和地震區劃圖聯合編制”的資助。數據來源于中國地震動參數區劃圖（GB18306—2015），特此致謝。同時，作者感謝審稿專家提出的寶貴意見和建議，使本文得到進一步完善和提升。

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胥廣銀，高孟潭，2017．基于潛在破裂面源模型的南北地震帶南段地震區劃研究．震災防御技術，12（3）：441—455．

Seismic Zoning in Southern Part of North-South Seismic Belt Based on the Potential Rupture Surface Source Model

Xu Guangyin and Gao Mengtan

(Institate of Geophysics, China Earthquake Administration, Beijing 100081, China)

There are many large earthquake actives recorded in the southern part of North-South seismic belt. The seismic hazard near the potential large earthquake source is related to size and attitude of potential ruptures according to the recent studies. So, the 3-D characteristics of potential sources should be considered to analyze the seismic hazard near the large faults that have the possibility to generate great earthquakes. In this study, the plenty of data of strong earthquake and seismo-tectonics are collected and the potential rupture surface source model are constructed to consider the size and attitude of large earthquakes, in order to make the seismic hazard analysis results more reasonable in the southern part of North-South seismic belt. From this study, we conclude that the seismic zoning results show the spatial characteristic, such as attitude and size of seismogenic structures, so it makes the results of the seismic hazard analysis and seismic zoning more reasonable in the southern part of North-South seismic belt.

Southern part of North-South seismic belt；Potential rupture surface source model；Seismic hazard analysis；Seismic zoning

10.11899/zzfy20170301

中國地震局地球物理研究所中央級公益性科研院所基本科研業務專項（DQJB11C19）和中國地震局中印聯合科技項目“喜馬拉雅地區統一地震目錄和地震區劃圖聯合編制”共同資助

2017-04-22

胥廣銀，男，生于1971年。博士，副研究員。主要從事地震活動性分析、地震危險性分析及地震區劃等方面的研究。E-mail：xugy1971@163.com

2中國地震局地球物理研究所，昆明南方巖土工程技術開發公司，2008。昆明市呈貢新區小區劃（二期）報告